基于物联网的作物智能化精准灌溉技术研究与应用

李明平,吴德华,王爱军,樊铭京,马树升*

1.山东省莒南县水利局,山东莒南276600

2.山东省胶东调水工程牟平管理站,山东牟平264100

3.山东农业大学水土学院,山东泰安271018

基于物联网的作物智能化精准灌溉技术研究与应用

李明平1,吴德华2,王爱军3,樊铭京3,马树升3*

1.山东省莒南县水利局,山东莒南276600

2.山东省胶东调水工程牟平管理站,山东牟平264100

3.山东农业大学水土学院,山东泰安271018

物联网是一个可让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的互联网。智能化精准灌溉系统中需装置大量的智能传感设备和智能控制设备，按照统一约定的协议将该灌溉系统中的智能传感设备、智能控制设备等与移动互联网相连，就实现了设备与设备之间、设备与人之间的信息交换和通信。笔者结合山东省小农水建设工程做了部分基于物联网的智能化精准灌溉项目，达到了一定的示范推广效果。

物联网;智能化;精准灌溉

我国人口有13亿多，人均水资源占有量世界排名在110位，人均耕地面积仅为世界平水平的40%左右。利用这有限的水土资源确保粮食安全，为历届政府高度重视。发展高效节水农业是解决粮食安全的基本国策，采用智能化精准化灌溉技术是实现高效节水农业的关键技术，也是当前节水农业研究的技术热点之一。

随着计算机软硬件技术、传感器制造技术、通讯技术、特别移动互联网技术的快速发展，使智能化精准化灌溉发展有了强有力的技术支撑。作为从事智能化精准化灌溉技术的研究人员或应用者，要着重研究作物本身获得高产量高品质的灌溉制度和灌水量、高效可靠的灌溉器具、精准灌溉所需要的传感设备及控制设备[1]。

1 物联网阐述

物联网这个概念，早在1999年在中国就提出来了，当时叫传感网。物联网英文名称叫“The Internet of things”，它是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与移动互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它包含三层意思：一是网络采用的是移动、联通或电信中的某一无线网络；二是物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；三是其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。这样就为农田农作物实施智能化精准化灌溉提供了便利，因为农田中不可能敷设早期普遍应用的互联网网线和220 V供电电缆，移动网络的发展就为农田中所有灌溉设施中的物与物相连提供了可能，而网络设备用电是微量的，只需采用锂电池或太阳能电池就可以了，这样也就免除了敷设220 V供电电缆的困扰。精准灌溉所用设备在物联网系统中分属为传感感知设备的有：远传水表、压力传感器、土壤水分传感器、电参数传感器、摄像头等；分属为3G无线网络通信设备的有：WCDMA（联通）、EVDO（电信）、TD-SCDMA（移动）。分属为监控中心设备的有：数据处理服务器、视频图像服务器等；分属控制执行设备的有：电动阀、水泵等；分属为能源供给设备的有：太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器等；分属为安全可靠设备的有：避雷器及接地极、报警装置等。具体运行是：现场传感感知的数据按照统一约定的协议（如MODBUS协议）通过无线网络设备上传到监控中心数据处理服务器，经过处理分析判断发出指令再通过无线网络设备下达给执行设备进行工作，如开启关闭阀门等。

图1 日照市莒县小店镇小农水工程中的物联网系统Fig.1 IoT system of little agricultural water engineering in Xiaodian Town Juxian Rizhao City

如图1所示为日照市莒县小店镇小农水工程中的物联网系统。现场传感感知设备有监测灌溉流量用的远传水表、监测管道水压用的压力传感器、监测土壤墒情用的土壤水分传感器、现场监视图像用的红外摄像头等；传输数据用的移动公司TD-SCDMA无线网络通信设备、传输图像用的联通公司的WCDMA无线网络通信设备。监控中心数据处理服务器用的台湾研华工业控制机、视频图像服务器用的联想计算机。控制执行设备为电动蝶阀。

2 作物需水量及灌溉制度

2.1 土壤质地及适宜含水率

作物灌溉时计划调节控制土壤水分状况的土层深度为土壤计划湿润深度H，根据该层土壤质地确定土壤适宜含水率β上限及下限值，这些数据是确定灌水定额的重要依据。传统灌溉应首先根据已确定的作物灌溉制度中某次灌水的灌水定额(m3/亩)和灌溉面积确定出灌溉用水总量，再根据水源来水条件确定灌溉流量和灌水延续时间。

灌水定额的确定，则依据于某种作物某生育阶段所要求的土壤计划湿润深度H和土壤质地条件由式（1）确定：m=6.67（β田-β）r H(1)

公式中涉及的作物某生育阶段土壤计划湿润深度H、土壤含水率β田及β、土壤容重r等应根据作物种植分区、土壤空间分布变化等，进行采样于室内分析确定。

2.2 智能化精准化灌溉之灌溉制度

在传统灌溉模式下只要不产生径流冲刷和深层渗漏，可尽量加大灌水定额以延长灌水周期和提高灌溉劳动效率，这样就要求水源调节能力强水量充沛。而在水源调节能力低水量欠缺条件下进行智能化精准化监测控制灌溉，则灌水次数可以增多、每次的灌水定额可以减小、土壤适宜含水率上限及下限范围可以压缩。再结合考虑灌溉地面坡度和采用的灌水方法及是否结合施肥打药等因素，确定出智能化精准化控制条件下的灌溉制度。

2.3 智能化精准化灌溉气象影响

温室大棚中的气象因素易于控制。而露天栽培的作物直接受自然气象因素影响较大，如空气温湿度、日照、风速、降雨等，前三项气象因子直接影响着土壤水分腾发强度，其综合反应可由土壤水分实时监测给出，降雨量可通过雨量传感器进行实时监测，连同土壤水分实时监测值可直接进入智能化精准化灌溉监测控制决策系统。图2为智能化精准化实时监测控制系统模拟图。

图2 智能化精准化灌溉实时监测控制系统Fig.2 The live monitoring and controlling system for intelligent and accurate irrigation

3 智能化精准化灌溉关键设备

3.1 灌溉用水量计量设备

灌溉用水的计量设备种类较多，如涡街流量计、玻璃转子流量、超声波流量计、电磁流量计等，但用于灌溉计量价格都较高，多数还得配备220 V市电。笔者与有关厂家研究开发的远传发信水表，价格适宜可用于智能化精准化自动灌溉控制项目。

该远传发信水表是由旋转磁针和干簧管组成的传感器系统。当磁针旋至干簧管簧片且磁力大到能克服簧片的弹力时，簧片即刻吸合短接；当磁针远离簧片吸引力小于弹力时簧片随即断开，一次短接/断开即为一个脉冲信号发出。为了提高脉冲分辨率，设计要求脉冲宽度不小于100 ms，亦即干簧管短接时间不小于100 ms。生产实践中可根据管道流量和水表口径大小，设计制造成1个脉冲为10 L、1个脉冲为100 L、1个脉冲为1000 L的水表。脉冲发出的频率即为瞬时流量、脉冲累积个数即为累积水量。

水表发出的脉冲信号计算机不能直接采集，笔者是通过开发的脉冲采集累积通信模块对水表的脉冲信号进行采集、累计和通信传输的。该模块具有485通信接口和MODBUS通信协议，可方便地用于物联网灌溉系统。

3.2 土壤水分传感器及雨量计

土壤水分传感器（或土壤墒情监测仪）除中国农业大学有研究产品面市外，国产设备还不多见。目前多选用德国进口的TRIME-EZ传感器，它是基于TDR（Time domain Reflectometry with Intelligent MicroElements）时域反射技术原理制造的高精度高可靠性土壤水分传感器。它是直接测量土壤的介电常数，而介电常数又与土壤水分含量有密切关系，被测土壤含水量即可通过标准模拟电信号4～20 mA或0～1 V输出，接入二次显示仪表即将含水率值显示出来，该二次显示仪表仍具有485通信接口和MODBUS通信协议。

雨量计可采用承雨口口径Φ200 mm的国际标准量雨筒，筒内计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，当雨水流入翻斗达到一定高度(比如0.1 mm)时，翻斗倾倒即输出一个脉冲信号，如此往复即可将降雨量测定出来。土壤水分传感器及雨量计见图3.

3.3 预收费灌溉智能控制器

节水灌溉必须从技术和管理两方面入手，而灌溉用水管理也需要有硬件技术作为支撑。根据作物种植面积和规范规定的某种作物灌水定额可确定出某次灌水的灌水量，于灌溉前要求预交水费并在控制器上预置灌溉水量，用经济杠杆强化节水意识和促进节水的实施。

笔者研发的智能射频卡控制器可为用水户刷卡赋值后自动开阀灌溉、欠费关阀停水，它是与远传发信水表、电动蝶阀和土壤水分传感器配套使用的设备。当土壤水分传感器监测到土壤计划湿润层H内水分降至接近下限时，用水户可持射频卡在灌溉管理中心的工业控制机上预交灌溉水费进行充值、然后再在智能控制器上刷卡赋值将预交的灌溉水费转存到智能控制器上。智能控制器见图3。

当土壤墒情降至下限、控制器上已存有水费这样两个条件均满足时，智能控制器即发出开阀或开泵信号进行供水灌溉、与此同时远传发信水表实时监测计量灌溉水量并同时将水量数据传输给智能控制器、智能控制器在接收灌溉水量数据的同时持续递减预交的水费、当水费递减至零时智能控制器立刻发出信号关停水泵或阀门停止灌溉。

满足上述两个条件方可开阀或开泵灌溉，笔者称为土壤墒情和预交水费双因子自动灌溉控制系统，该技术已获得中国专利，专利号为：ZL 2011 2 0221334.3，原理见图4。

图3 土壤水分传感器、雨量计、预收费控制器Fig.3Soilmoisturesensor,raingaugeandprechargecontroller

图4 双因子控制系统原理图Fig.4Theprincipleofcontrollingsystemwithdoublefactors

4 生产实践应用

自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注。

笔者结合最近8年来国家蓬勃开展的小农水建项目，做了一些基于物联网技术的遥测遥控节水灌溉项目和设施大棚内的精准灌溉项目。如2010年做的日照市莒县小店镇项目（图1所示）受关注度较高，2011年度山东省小农水现场会在莒县召开并参观介绍了该项目。之后又在日照市岚山区浏园茶场做了基于物联网技术的茶园喷灌、在青岛市胶州胶莱镇做的基于物联网技术的大棚油桃微喷灌。又在德州市陵城区、枣庄市薛城区、日照市东港区小麦、玉米等大田作物低压管道灌溉中做了示范推广，并针对管道灌溉急需的预收水费、刷卡开阀、水表计量、无费关停等技术需求，开发了便携式预收费刷卡控制灌溉计量装置系统和低水压电磁水力驱动灌溉控制专用阀，这两项技术设备均获国家专利，专利号分别为：ZL 2013 2 0523711.8和ZL 2012 2 0481207.1。这些项目的实施均取得了节水节能增效、科技示范引领、经济社会效益显著的效果。

5 结语

物联网是一个可让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化的重要特征。它给种植业、养殖业及水利灌溉业等各个行业带来了前所未有的高效、精准、快捷和便利。笔者仅是在节水灌溉领域做了点粗浅的应用尝试，就显示出物联网十分广阔的应用前景。它将激励着笔者不断努力，继续在节水或精准灌溉领域研究与物联网技术相配套的灌溉设备、传感设备及控制设备。

[1]樊铭京,谢清华,宋玉娟,等.作物智能化精准灌溉监测控制技术应用研究[J].山东农业大学学报:自然科学版,2012,43(2):299-303

Study and Application of the Intelligent and Accurate Crop’s Irrigating Technology Based on IoT

LI Ming-ping1,WU De-hua2,WANGAi-jun3,FAN Ming-jing3,MAShu-sheng3*
1.Water Conservancy Bureau of Ju’nan County Shandong Province,Ju’nan276600,China
2.Muping Management Station of Shandong Provincial Jiaodong Water Division Project,Muping264100,China
3.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China

Internet of Things(IoT)is an internet which allows for interconnecting and interchanging between common physical objects which can be independently addressable.A large sum of intelligent sensor and controlling devices are needed in the intelligent and accurate irrigating system and by connecting them with the mobile internet using unified preset protocols,information exchanging and communication between device and device and devices and human can be achieved. In accordance with the construction of small-sized irrigation and water conservancy projects in Shandong Province,the author completed some intelligent and accurate irrigating projects based on IoT,which has the effects of demonstration and promotion of this technology.

Internet of Things;intelligent;accurate irrigation

S275

:A

:1000-2324(2017)01-0117-04

2016-12-10

:2016-12-23

青岛市水利科技重点项目:智能化精准灌溉决策技术应用研究与示范推广(201104)

李明平(1968-),男,高级工程师,主要从事水利土木类专业工程管理工作.

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:mashusheng8836@163.com